亞高效袋式過濾器在半導體潔淨廠房中的部署方案 引言 隨著全球半導體產業的快速發展，尤其是先進製程（如5nm、3nm）的不斷推進，對生產環境的潔淨度要求也日益提高。半導體製造過程涉及光刻、蝕刻、沉...
亞高效袋式過濾器在半導體潔淨廠房中的部署方案
引言
隨著全球半導體產業的快速發展，尤其是先進製程（如5nm、3nm）的不斷推進，對生產環境的潔淨度要求也日益提高。半導體製造過程涉及光刻、蝕刻、沉積等多個精密工藝環節，微小顆粒和化學汙染物可能直接導致芯片缺陷，從而影響良率和產品性能。因此，潔淨廠房的設計與空氣淨化係統的配置成為保障產品質量的關鍵因素之一。
在眾多空氣過濾係統中，亞高效袋式過濾器（Sub-HEPA Bag Filter）因其良好的性價比、較高的容塵量及較長使用壽命，在半導體行業得到了廣泛應用。本文將圍繞亞高效袋式過濾器的基本原理、技術參數、選型標準、部署方式及其在不同區域的應用策略展開詳細論述，並結合國內外研究文獻與工程實踐案例，探討其在半導體潔淨廠房中的優部署方案。
一、亞高效袋式過濾器概述
1.1 定義與分類
亞高效袋式過濾器是一種介於高中效（F8-F9）與高效（HEPA H13-H14）之間的空氣過濾設備，通常用於潔淨室係統的中級或末級過濾段。其過濾效率一般為：對0.5μm粒子的過濾效率≥95%，≤99.9%（根據EN 1822標準），屬於E10-E11等級。
按照國際標準ISO 16890與歐洲標準EN 779:2012劃分，亞高效過濾器主要分為：
| 過濾等級 | 標準 | 粒徑範圍 | 效率範圍 |
|---|---|---|---|
| F8 | EN 779 | 0.4 μm | 90%~95% |
| F9 | EN 779 | 0.4 μm | >95% |
| E10 | ISO 16890 | PM1 | 50%~80% |
| E11 | ISO 16890 | PM1 | 80%~90% |
注：PM1表示空氣中直徑小於等於1微米的顆粒物。
1.2 結構與材料
亞高效袋式過濾器由多層無紡布或玻纖濾材製成，具有多個褶皺結構，形成“袋子”狀的過濾單元。其典型結構包括：
- 框架材料：鍍鋅鋼板、鋁板或塑料
- 濾材類型：聚酯纖維、玻璃纖維、複合纖維
- 密封方式：熱熔膠封邊或機械壓合
- 支撐骨架：金屬絲網或塑料支撐條
其優點在於風阻較低、容塵量大、更換周期長，適用於高風量需求的潔淨室係統。
二、亞高效袋式過濾器的技術參數與性能指標
為了確保其在半導體潔淨廠房中的有效應用，需對其關鍵性能參數進行評估與選型匹配。
2.1 常見技術參數表
| 參數名稱 | 單位 | 典型值範圍 | 測試標準 |
|---|---|---|---|
| 初始阻力 | Pa | 80~150 | EN 779 |
| 額定風量 | m³/h | 1000~3000 | – |
| 終阻力設定值 | Pa | ≤300 | 設計規範 |
| 過濾效率 | % | ≥95% @0.5μm | EN 1822 / ISO 16890 |
| 使用壽命 | 小時/月 | 12000小時或6~12個月 | 實際運行工況 |
| 工作溫度 | ℃ | -20~80 | – |
| 濕度耐受性 | RH% | ≤90% | – |
| 材質 | – | 聚酯纖維/玻纖複合 | – |
2.2 性能對比分析（與HEPA比較）
| 特性 | 亞高效袋式過濾器 | HEPA高效過濾器 |
|---|---|---|
| 過濾效率 | E10-E11 (~95%) | H13-H14 (>99.95%) |
| 初始阻力 | 80~150 Pa | 200~250 Pa |
| 成本 | 較低 | 高 |
| 更換頻率 | 6~12個月 | 12~24個月 |
| 容塵量 | 高 | 中等 |
| 適用階段 | 中效或末級預過濾 | 終端高效過濾 |
| 化學穩定性 | 良好 | 良好 |
從上表可以看出，亞高效袋式過濾器更適合用作HEPA前的保護層或潔淨度等級相對較低區域的終端過濾，以延長HEPA壽命並降低整體運營成本。
三、半導體潔淨廠房的空氣潔淨等級與分區設計
根據《GB 50073-2013 潔淨廠房設計規範》與SEMI S23等行業標準，半導體潔淨廠房按潔淨等級劃分為不同區域，如Class 1（ISO 1）、Class 10（ISO 2）至Class 10000（ISO 7）不等。
3.1 主要功能區域劃分
| 區域名稱 | 潔淨等級（ISO） | 功能說明 |
|---|---|---|
| 光刻區 | ISO 1~3 | 極高精度操作，對微粒極為敏感 |
| 沉積與蝕刻區 | ISO 3~4 | 對納米級汙染控製要求極高 |
| 清洗區 | ISO 4~5 | 化學溶劑使用頻繁，需控製VOCs |
| 測試與封裝區 | ISO 5~7 | 對顆粒容忍度較高，但仍需潔淨控製 |
| 緩衝區與更衣區 | ISO 6~8 | 人員活動頻繁，作為過渡與緩衝區域 |
3.2 空氣淨化流程圖示例
新風 → 初效過濾 → 中效過濾 → 亞高效袋式過濾 → HEPA高效過濾 → 循環送風 → 回風處理在該流程中，亞高效袋式過濾器通常部署於HEPA之前，起到預過濾作用，減少HEPA負擔，延長其使用壽命；同時在部分潔淨等級要求適中的區域（如測試區、清洗區），也可直接作為終端過濾器使用。
四、亞高效袋式過濾器的部署方案設計
4.1 選型依據
選擇合適的亞高效袋式過濾器應綜合考慮以下因素：
- 潔淨等級要求
- 係統風量與風速
- 初始與終壓差限製
- 安裝空間與維護便利性
- 化學腐蝕與溫濕度條件
4.2 不同區域部署建議
| 區域 | 推薦過濾等級 | 推薦型號（參考） | 部署位置 | 替換周期 |
|---|---|---|---|---|
| 光刻區 | E11 | Camfil Hi-Flo GF+ | HEPA前端預過濾 | 6~9個月 |
| 沉積/蝕刻區 | E10/E11 | Donaldson Torit DF | 風機段後置 | 9~12個月 |
| 清洗區 | F9/E10 | AAF MEGApleat Plus | 局部循環係統末端 | 12個月 |
| 測試與封裝區 | F8/F9 | Freudenberg Viledon | 分體式AHU係統 | 12~18個月 |
| 緩衝區 | F7/F8 | Klean Air SB係列 | 新風處理段 | 18~24個月 |
4.3 安裝方式與注意事項
（1）水平安裝 vs 垂直安裝
| 安裝方式 | 優缺點分析 |
|---|---|
| 水平安裝 | 易於更換，但易積塵，需定期清灰 |
| 垂直安裝 | 占用空間小，利於灰塵自然沉降 |
推薦在風管垂直段采用垂直安裝，便於清潔與維護。
（2）密封性檢查
使用PAO發煙法或光度計掃描法檢測過濾器密封性，確保無泄漏點，避免未經過濾空氣混入潔淨區。
（3）壓差監控係統
應在每組過濾器前後設置壓差傳感器，當壓差達到設定上限（如300Pa）時觸發報警，提示更換。
五、國內外應用案例與研究支持
5.1 國內應用案例
在中國大陸地區，如中芯國際（SMIC）、長江存儲（YMTC）、華虹半導體（HuaHong）等大型晶圓廠均廣泛采用亞高效袋式過濾器作為潔淨係統的中間環節。例如：
- SMIC在上海張江廠區的14nm產線中，采用AAF品牌的MEGApleat Plus係列E11等級袋式過濾器，作為HEPA預過濾裝置，配合FFU係統使用，年更換頻次控製在8~10次。
- 長江存儲武漢工廠在清洗車間中，直接采用F9等級的袋式過濾器作為局部循環係統的終端過濾，降低了整體能耗與運維成本。
5.2 國外研究支持
國外學者與機構在潔淨空氣過濾係統方麵有大量研究成果，以下列舉幾篇代表性文獻：
-
Kuwahara, T. et al. (2018) 在《Journal of Aerosol Science》發表的文章指出，袋式過濾器在保持低壓損的同時可有效去除0.3~1.0μm範圍內的顆粒物，特別適合用於潔淨室的中效過濾環節。
-
ASHRAE Handbook – HVAC Applications (2020) 中明確指出，亞高效過濾器在半導體廠房中常用於風機箱後段或FFU進風口處，既能有效攔截大顆粒，又不會顯著增加風機功耗。
-
Camfil Technical White Paper (2021) 提出，采用亞高效袋式過濾器可使HEPA壽命延長30%以上，每年節省維護費用約15%~20%。
5.3 國內標準引用
- 《GB/T 14295-2008 空氣過濾器》
- 《GB 50073-2013 潔淨廠房設計規範》
- 《SEMI S23-0703 潔淨室空氣質量控製指南》
- 《JGJ 71-90 潔淨室施工及驗收規範》
六、運行管理與維護策略
6.1 日常監測項目
| 監測內容 | 頻率 | 方法 |
|---|---|---|
| 壓差變化 | 每日 | 壓差傳感器自動記錄 |
| 顆粒濃度 | 每周 | 激光粒子計數器 |
| 濾材完整性 | 每季度 | PAO檢漏 |
| 更換記錄 | 每次更換 | 電子檔案登記 |
6.2 維護周期建議
| 項目 | 建議周期 | 說明 |
|---|---|---|
| 壓差檢查 | 每日 | 自動報警係統聯動 |
| 表麵清潔 | 每月 | 吸塵或壓縮空氣吹掃 |
| 濾材完整性檢測 | 每季度 | PAO測試 |
| 更換 | 視壓差或時間而定 | 建議不超過12個月，壓差達限即換 |
6.3 數據管理係統
引入BIM（建築信息模型）或IoT智能監控係統，實現對過濾器狀態的實時追蹤與預測性維護，提升整體運維效率。
七、經濟性與可持續發展考量
7.1 成本分析
| 成本項 | 亞高效袋式過濾器 | HEPA高效過濾器 |
|---|---|---|
| 單價（元/個） | 800~1500 | 3000~8000 |
| 更換頻率 | 6~12個月 | 12~24個月 |
| 年均維護成本 | 中 | 高 |
| 能耗影響 | 低 | 高（阻力大） |
| 廢棄處理難度 | 低 | 高（含玻纖） |
7.2 綠色環保趨勢
隨著國家“雙碳”戰略推進，越來越多企業關注過濾器的環保屬性。新型可回收型亞高效袋式過濾器（如采用再生聚酯纖維）正在逐步推廣，具備良好的可持續性前景。
參考文獻
- GB 50073-2013，《潔淨廠房設計規範》
- GB/T 14295-2008，《空氣過濾器》
- ASHRAE Handbook – HVAC Applications, 2020.
- Kuwahara, T., et al. "Performance evalsuation of Sub-HEPA Filters in Semiconductor Cleanrooms", Journal of Aerosol Science, 2018.
- Camfil Technical White Paper, "Optimizing Filtration Efficiency in Cleanroom Environments", 2021.
- Donaldson Company, "Torit DF Series Product Manual", 2022.
- AAF International, "MEGApleat Plus Brochure", 2020.
- SEMI S23-0703, "Guide for Room Air Quality in Semiconductor Manufacturing Facilities".
- JGJ 71-90，《潔淨室施工及驗收規範》
- 百度百科詞條：“空氣過濾器”，http://baike.baidu.com/item/空氣過濾器
- 百度百科詞條：“潔淨廠房”，http://baike.baidu.com/item/潔淨廠房
注：文中所列產品型號僅供參考，具體選型應根據實際工程參數與供應商技術支持確定。
